일어날 일은 일어난다-양자역학, 창발하는 우주, 생명, 의미-

삶, 우주, 그리고 모든 것의
궁극적인 질문에 대한 답

“양자역학에 대한 최고의 설명서”

★★★★★ 조회 수 15만 《HORIZON》 ‘믿기 힘든 양자’
★★★★★ 김민형 교수, 장하석 석좌교수 추천 도서
★★★★★ 김필립 교수, 방윤규 교수 강력 추천
★★★★★ 소로프 상, 고등과학원 학술상 수상

모든 것이 어떻게, 그리고
왜 존재하는지에 대한 하나의 긴 논증

1965년 노벨 물리학상 수상자이자 전설적인 물리학자, 리처드 파인먼이 남긴 유명한 질문이 있다. “만약 어떤 커다란 재앙이 일어나 모든 과학적 지식이 사라지고 단 한 문장만을 다음 세대에게 전달할 수 있다면, 가장 적은 낱말로 가장 많은 정보를 담을 수 있는 문장은 무엇일까?”
파인먼은 모든 것이 서로를 밀고 당기는 원자로 이루어져 있다는 것, 즉 양자역학에 관한 지식이라고 답했다. 1979년 노벨 물리학상 수상자 스티븐 와인버그 그리고 2004년 노벨 물리학상 수상자 프랭크 윌첵 역시, 우리가 과학의 궁극적인 이론을 발견하더라도 양자역학은 그것의 일부로서 거의 수정 없이 남아 있을 것이라고 예측한다. 그렇다면 세계 최고의 이론 물리학자들은 왜 하나같이 양자역학이 근본적이라고 확신할까? 2000년에 소로프 상을 수상한 저자에 따르면, 이는 “우리 우주가 곧 양자(quantum)”이기 때문이다.
모든 것은 왜 다른 것이 아니라 하필 원자로 이루어져 있을까? 원자를 밀고 당기는 힘은 또 무엇으로 이루어져 있을까? 우주의 운명은 정해져 있을까? 불변하는 것은 무엇일까? 시간은 무엇이고 무질서나 정보와 어떤 관련이 있을까? 인공 생명은 가능할까? 예측 가능성은 자유의지와 서로 어떤 관계일까? 하늘 아래 진정으로 새로운 것이 나타날 수 있을까? 무엇보다도 우리 존재의 의미는 도대체 무엇일까?
고등과학원의 교수이자 세계적인 물리학자인 저자는 이 모든 질문에 대한 답이 양자에 담겨 있으며, 이 책을 통해 근본적인 수준에서 모든 것이 양자로 수렴된다는 것을 보인다. 이 책은 우리가 어떻게, 그리고 왜 존재하는지에 대한 하나의 긴 논증이다.

“인생의 중요한 질문들에 대한 답변이 미로 속의 실오라기처럼 책의 모든 문장 사이를 지나간다.”
―김민형(에든버러 국제수리과학연구소 소장, 『수학이 필요한 순간』 저자)

불확정성, 불연속성, 불완전성의 과학
“양자역학에 대한 최고의 설명서”

* 양자역학은 파동 함수의 공명을 통해 원자를 안정시킨다.
* 양자역학은 게이지 대칭성을 통해 힘의 원리를 제공한다.
* 양자역학은 카오스와 결합해 열역학 제2법칙을 발생시킨다.
* 양자역학은 자발적 대칭성 깨짐을 통해 우주의 모든 입자에 질량을 준다.

부분의 합으로 설명되지 않는 물리적 현상을 연구하는 이론 물리학자답게, 저자는 가장 작고 보편적인 부분들에서 시작해 그 부분들의 합으로 설명하거나 예측할 수 없는 물리적 현상으로 나아간다. 먼저 1장에서는 우주의 모든 것이 입자이면서 파동이라는 점을 이야기하며, 이러한 파동을 기술하는 파동 함수를 소개한다. 2장에서는 파동 함수의 공명을 기술하는 슈뢰딩거 방정식을 설명하며, 파동 함수의 공명을 통해 어떻게 가장 단순한 수소 원자가 만들어지는지를 보인다. 3장에서는 전자기 이론의 기초인 맥스웰의 방정식을 소개하며, 기본 힘들 가운데 하나인 전자기력이 어떻게 전자기장의 패턴에 의해 결정되는지를 이야기한다.
그러고 나서 4장에서 나머지 기본 힘들, 즉 중력, 약력, 강력의 메커니즘을 설명하며, 이러한 힘들이 모두 게이지 대칭성이라는 하나의 원리에 기반한다는 점을 보인다. 이전 장들에서 배운 이론과 설명을 통해 5장에서는 수소 원자를 포함한 모든 원자가 만들어지는 일반 법칙을 끌어내고, 더 나아가 이를 통해 분자와 격자 구조의 형성 규칙을 다룬다. 6장에서는 과거로부터 미래로 나아가는 것처럼 보이는 시간의 방향성이 어떻게 양자역학으로부터 나타나는지를 보이고, 7장에서는 양자역학을 지탱하는 게이지 대칭성이 자발적으로 깨짐으로써 어떻게 우리가 존재하는 데 필요한 거의 모든 것이 나타나는지를 보인다.

“양자역학에 대한 최고의 설명서다.”
―방윤규(포항공과대학교 물리학과 교수, 아시아태평양이론물리센터 소장)

라플라스의 악마부터 베르그송의 시간까지,
양자 우주에 담긴 깊은 철학적 의미

“이 책은 단순한 교양 과학 책이 아니다. 깊은 철학적 질문을 던지는 야심작이다.”
―장하석(케임브리지대학교 과학사 및 과학철학 석좌교수, 『온도계의 철학』 저자)

이 책은 우리가 어떻게, 그리고 왜 존재하는지에 대한 하나의 긴 논증이다. 양자역학이 모든 것이 ‘어떻게’ 존재하는지를 설명한다면, 양자역학에 관한 철학적 해석은 우리가 ‘왜’ 존재하는지를 드러낸다. 다시 말해, 존재뿐만 아니라 의미가 어떻게 양자로부터 창발할 수 있는지 드러나는 것이다.
그래서 저자는 양자역학을 바탕으로, 게임 이론을 통해 도덕이 어떻게 행위자들 사이에서 자발적으로 생겨날 수 있는지를 설명하고, 튜링 기계와 정지 문제로 인공 생명과 자유의지의 가능성에 답한다. 더 나아가 자발적 대칭성 깨짐으로 존재의 의미를 이야기하며, 프랑스 철학자 앙리 베르그송의 ‘창조적 진화’가 양자적 우주에서 어떤 의미를 지니는지를 밝힌다.

“다체 양자장 이론을 배경으로, 영화, 개인적인 일화, 정보 과학 그리고 철학을 한데 녹여내 다양한 관점을 연결한 역작이다.”
―김필립(하버드대학교 물리학과 교수)

정말 재미있게도, 이 책을 가로지르는 것은 마치 하나의 ‘이론’이 아니라 여러 ‘이야기’로 보인다는 점이다. 《HORIZON》의 「믿기 힘든 양자」 시리즈를 통해 ‘영화 평론하는 물리학자’로 입소문이 난 저자인 만큼 〈봄날은 간다〉, 〈시네마 천국〉, 〈슬럼독 밀리어네어〉, 〈캐스트 어웨이〉, 〈블레이드 러너〉와 같은 영화들을 유감없이 끌어들이며, 물리학을 이야기하다가 어느 순간 독자를 스크린 앞으로 데려간다. 케임브리지대학교의 과학사 및 과학철학 석좌교수인 장하석 교수는 이 책을 가장 처음 받아 읽고 다음과 같이 말했다. “가장 중요한 아이디어들을 공상과학소설이나 영화 이야기를 동원해 직관적으로 이해시키며, 여러 각도에서 과학 지식이 인간의 삶에 어떤 의미를 가지는지를 전달한다. 과학사와 철학에 대한 저자의 식견이 믿기 힘들 정도의 수준이다.”

박권
이론 물리학자. 개별 입자의 합으로 설명되지 않는 시스템의 행동을 양자역학 수준에서 설명하는 양자 다체 문제(quantum many-body problem)를 연구하고 있다.
서울대학교에서 물리학 학사, 뉴욕 주립대학교 스토니부룩에서 물리학 석사와 박사 학위를 받았다. 이후 예일대학교와 메릴랜드대학교 칼리지파크에서 박사 후 연구원으로 일했다. 2008년부터 고등과학원의 교수로 재임하고 있으며, 2019년에는 하버드대학교의 방문 교수를 역임했다.
2000년에 소로프 상, 2007년에 고등과학원 학술상, 2017년에 과학기술정보통신부 국가연구개발 우수성과 100선을 수상했다. 고등과학원의 과학 전문 웹진 《HORIZON》에서 누적 조회 수 15만에 달하는 「믿기 힘든 양자(Incredible Quantum)」를 연재하고 있다.

들어가며

1장 파동: 확률에 관하여
2장 원자: 보편에 관하여
3장 빛: 불변에 관하여
4장 힘: 상호작용에 관하여
5장 물질: 관계에 관하여
6장 시간: 흐름에 관하여
7장 존재: 나타남에 관하여

이어지는 이야기

감사의 글
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